膨润土双向膨胀应力测量仪应用于土力学实验教学

刘俊新， 姜 兵， 郭招群， 刘育田， 张艺东， 张永泽

(1. 西南科技大学 土木工程与建筑学院， 四川 绵阳 621010；2. 河北省地矿局 国土资源勘查中心， 河北 石家庄 050081)

仪器设备研制与应用

膨润土双向膨胀应力测量仪应用于土力学实验教学

刘俊新1， 姜 兵1， 郭招群1， 刘育田1， 张艺东1， 张永泽2

(1. 西南科技大学 土木工程与建筑学院， 四川 绵阳 621010；2. 河北省地矿局 国土资源勘查中心， 河北 石家庄 050081)

自主研制了一种采用侧向和轴向受限实验方法测量膨润土膨胀应力的实验装置，得到了其在恒体积下的轴向和径向膨胀应力，提供了一种可以同时考虑温度、方向性条件影响下的膨润土膨胀力测定的实验装置，填补了土力学实验教学中的空白。实验验证了该装置的适用性和可靠性，便于实验操作。在以往装置的基础上通过分析获取了渗流作用和热环境条件下膨润土的膨胀力发展规律。该装置丰富了实验教学内容，完善了知识框架体系，是对土力学课程内容的拓展补充，有利于培养学生的动手实践能力。

土力学； 膨润土； 膨胀应力； 实验教学

土力学、岩石力学和工程地质一起并成为岩土工程的3门专业基础课[1]。其中土力学是一门理论性、实验性、应用性、技术性和实用性都很强的工程技术基础学科，其实验教学是土力学教学体系中的重要组成部分，它对于掌握土的特殊工程性质、土力学基本理论以及体验土力学的工程应用具有很大的意义，也是培养实验设计动手能力和今后从事工程实践和科学研究工作不可缺少的环节[2-5]。土力学在实验教学环节有2大特点：一是每一个实验项目都是实际工程中必做的项目，其实验结果可直接应用于工程的设计和施工；二是每个实验项目既相互独立又环环相扣、密切相关[5]。土力学实验方法不仅在工程实践中十分重要，在土力学理论的形成和发展过程中也起着决定性的作用。土力学中的许多理论都是建立在实验基础上的，如Terzaghi的有效应力原理是建立在压缩实验中孔隙水压力的测试基础上的，Darcy定律是建立在渗透实验基础上的，剑桥模型是建立在正常固结黏土和微超固结黏土压缩实验和等向压缩三轴实验基础上的[6]。随着近年来新工艺和科学技术的发展，该课程逐渐与人们日益关注的环境、生态和能源等热点问题相结合，研究内容不断拓展和丰富，体现了土力学学科与时俱进的特点。土力学是一门实验性很强的学科，离开了实验和测试就无法发展[3]，因此完善土力学实验室物理实验在目前基础教学中是十分必要的。

1 膨润土双向膨胀力测量仪研制背景

深地质处置是目前国际上普遍认可的处置高放射性核废物的有效方法，即采用多重工程屏障系统将高放废物埋置在距地表深约500～1 000 m的地质体中。内蒙古高庙子钠基膨润土被筛选为针对于我国高放废物处置库建设的缓冲回填材料，其主要功能是为了缓解处置库围岩压力对废物罐的作用、封闭处置库围岩与废物罐之间的空隙及近场围岩的裂隙、有效地阻滞废物罐泄漏的放射性物质向周围环境的迁移，从而使得处置库内的高放废物的放射性核素在影响生物圈之前衰变到安全水平[7]。故作为缓冲回填材料必须具备合适的膨胀性能。

国内已有很多测量膨润土膨胀性能的实验装置，但都各有不足。如三向胀缩仪，采用等强度梁测定膨胀力，并通过调整等强度梁对面的螺栓，以校正等强度梁的变形，保持试样体积不变，从而测取膨胀力。但其注水方法死板，压头施压不均匀，且侧向测量装置灵敏度和准确性较差，误差较大。三联高压固结仪在固结室内放入环刀试样，加入蒸馏水完全浸没试样，当样品开始吸水膨胀量表指针开始转动时，立即施加荷载限制样品膨胀并使表针回到初始读数；进行荷载分级实验，间隔24 h读数不变则对应压力即为最大膨胀力。但该仪器操作繁琐，测量精度不高，人工采取数据，也不能实现温度控制效果。膨胀力与饱和渗透多功能实验仪主要由渗透膨胀室、温控烘箱、GDS水压/体积控制器、数据采集仪和压样模具组成，该实验仪实现了膨胀力和渗透系数测试一体化，但是整个测量装置放置在温控烘箱中,对实验装置及传感器影响不可忽略，影响最终数据，径向膨胀力也没有具体测量。

置于处置库中的缓冲回填材料用于密封高压压实膨润土块体砌置时形成的块体与块体之间、块体与围岩之间的施工缝隙以及围岩中因处置库开挖卸载引起的裂缝[8]，而块体与块体、块体与围岩水平方向接触间的缝隙的密封主要依靠膨润土水平方向的膨胀，故对其水平向膨胀力的测定是非常有必要的。

创新是综合知识的运用，是收敛思维与发散思维的有机结合[9]，借鉴以往实验装置的优势和不足，本文自主研制了可以同时考虑温度、方向性条件影响下对膨润土的膨胀力进行测量的装置，该装置可以准确测得在温度、方向性条件及其他因素影响下膨润土竖向及径向的膨胀力。

实验中学生要掌握仪器的构造和功能原理、操作方法与步骤、竖向及径向膨胀力的测量方法、实验结果描述与分析等过程。让学生通过实验，将基础知识和技能做到有机结合、相互渗透，增强学生的创新精神、理论和实践联系的实验能力，引导学生较早接触科研创新项目，培养学生的综合实验素养[10]。将膨润土膨胀力测量引入土力学教学和实验，不仅会丰富教学的内容和手段，在开阔学生视野、提升学生的认知程度和课程教学水平上也具有重要的理论和现实意义[11]。

2 实验仪器和测量步骤

2.1 膨润土双向膨胀力测量仪

膨润土双向膨胀力测量仪见图1。该装置顶盖用螺帽旋转拧紧对膨润土施加一定的预压力，以限制压头的竖向位移和膨润土的轴向变形。荷载传感器与数据采集系统连接，由采集系统中的软件测量和监测施加的预压力和膨润土试样膨胀后的轴向膨胀力。装置中的上部管接头接出水管，下部一侧的管接头接进水管，另一侧带阀门的管接头用于排出膨胀桶内气体，进而开展膨润土膨胀力测试实验。设置在压头与活塞杆外部的密封圈，与膨胀桶紧密接触，从而起到防渗和保持试样所受压力的作用。分别套在膨胀桶上部和下部的加热环用于给试样间接加热，以开展热环境下的膨润土膨胀力的测试。位于膨胀桶外四周的4个采用半桥连接的应变片和膨胀桶外的温度补偿片，通过导线与数据采集系统连接，用于测量膨润土试样膨胀后引起的膨胀桶的环向应变。通过观察记录应变片与温度补偿片的电阻值的变化，即可利用电阻变化值和相应的计算公式求出各自对应的应变值，由应变片得出的电阻值与温度补偿片得出的电阻值之差即膨润土膨胀力引起的膨胀桶的环形应变，即膨润土试样的环向应变，再利用厚壁圆筒理论公式求取膨润土双向膨胀力。该装置采用氮气加压以加快膨润土的渗透速率，缩短实验时间。图2为膨胀桶。

图1 膨润土双向膨胀力测量仪

图2 膨胀桶

2.2 测量仪的标定及实验操作步骤

2.2.1 仪器标定

实验开始前使膨胀桶中充满水，打开传感器标定程序，进行竖向力及径向力等测量程序的标定，其中竖向力的标定示意图如图3所示，其他力的标定与竖向力的标定步骤类似。竖向力的标定步骤如下：

(1) 传感器选项中选择对应的竖向力，不加压的情况下在传感器实际值处输入0，依次点击开始标定，确认标定；

(2)加200 kPa的压力，在传感器实际值处输入200，依次点击开始标定，确认标定；

(3) 继续上一步的操作，直至压力施加到2 MPa为止；

(4) 将曲线斜率a和曲线截距b分别复制到软件安装目录标定文件下替换其中对应竖向力中的a和b并保存即可。

图3 传感器标定示意图

2.2.2 测量步骤

(1) 将膨胀桶置于液压装置底盘上，称取一定量的膨润土土样，均匀放入膨胀桶内，用搅拌棒适当搅拌均匀，然后用液压装置对膨润土进行静力压实，制成所需密实度的试样后取下膨胀桶。

(2) 从液压装置上取下膨胀桶，并放置在实验装置的底座上，连接进水管和出水管，将应变片接线及荷载传感器连接在数据采集系统上，旋紧压头及掷帽，以对膨润土施加一定的预压力。

(3) 打开下部压头的进水阀门和其相对另一侧的阀门，通入适量蒸馏水或化学溶液以排出透水垫上下的气体，待进水管内无气泡时关闭另一侧的阀门，使进水阀门保持开启状态；若需考虑温度对膨润土膨胀力的影响，可用加热环加热，利用温度传感器控制温度，将膨胀桶加热至设定的温度；然后施加2 MPa的气压，开始实验。

(4) 计算机自动记录竖向及径向膨胀力与时间的关系曲线，实验完成后，卸下进出水管及与采集系统相连的数据线，取出膨胀桶，卸下压头及透水垫，将膨胀桶放置在压力机上取出试样。

(5) 按照步骤(1)、(2)、(3)、(4)进行不同温度下试样的膨胀力测试。

2.3 基本原理

试样膨胀引起的膨胀桶的环向应变εθ的计算公式如下：

(1)

式中：Kd为应变片的动态敏度系数，Rg为应变片电阻，Rc为应变仪的标定电阻，ΔUc为标定电压值，ΔUg为记录脉冲波形采样值。

按照厚壁圆筒弹性理论[12]，可求取圆筒内壁处的压力(径向力)P1：

(2)

式中：a、b、E1分别为厚壁圆筒内径、外径和套筒材料的杨氏模量，a=mm、b=mm、E1=9×109Pa。

3 实验应用与结果分析

3.1 实验实例

本次实验样品为取自内蒙古兴和县的天然高庙子钠基膨润土，实验前将膨润土过2 mm筛后放置在装有饱和K2SO4盐溶液的密封容器中，每隔一段时间取出有代表性的土样(至少2组)过0.5 mm筛，并测其含水率，待其含水率稳定后根据需要取出适量土样进行膨胀力实验。

本次采用1.7 g/cm3作为试样的干密度，蒸馏水作为渗透液进行实验，根据一定的体积、已知的土样含水率、一定的干密度计算并称取一定量的土样，将其装进特定的膨胀桶中，并在压力机上将其静力压制成直径50 mm、高30 mm的试样。试样制作完成后按照2.2.2节中的操作步骤进行膨胀力的实验。

3.2 实验结果及分析

对室温蒸馏水及40 ℃蒸馏水渗透下的膨胀力实验结果整理分析得到的室温及40℃蒸馏水渗透作用下膨润土的典型膨胀力曲线分别见图4和图5。竖向力由传感器测出。

图4 室温蒸馏水渗透作用下高庙子钠基膨润土膨胀力曲线

图5 40 ℃蒸馏水渗透作用下高庙子钠基膨润土膨胀力曲线

由图4可以看出：由于膨润土的体积受到限制，在实验初始阶段，随着水侵入膨润土中，膨润土的结构不断发生变化，其膨胀力增长迅速；随着大量的水被吸收，膨润土中占据主要膨胀作用的矿物成分蒙脱石逐渐吸水饱和，故其膨胀力增长逐渐减缓，膨润土的结构逐渐达到稳定状态，直至其膨胀力不再增长；同时由图4还可以看出膨润土的竖向膨胀力始终大于其径向(水平方向)的膨胀力，在实验研究范围内膨润土的径向(水平方向)膨胀力与竖向膨胀力的比值稳定在0.6左右，这说明试样在竖向和水平方向间存在各向异性。

由图4和图5可知，研究范围内温度越高膨润土膨胀力增大，且达到平衡所需时间有所缩短，径向(水平方向)膨胀力与竖向膨胀力的比值略有增大，约为0.62，这主要是由于温度升高加剧了物理微观分子和原子间的热运动，增大了分子或原子间距，温度越高，膨润土内部结构热运动程度越剧烈，故其膨胀力越大。更高温度下膨胀力的状况还有待进一步的研究。

4 结语

在土力学实验基础上，自主研制了一种针对膨润土膨胀力测量的实验装置，该装置在以往装置的基础上提供了一种可以同时考虑温度、方向性条件影响下对膨润土的膨胀力进行测量的装置，利用该装置对膨润土进行了在蒸馏水渗透，以及室温和40 ℃下的膨胀力实验，通过对实验结果的分析，确定了膨润土膨胀力的发展分为两个阶段，初始阶段膨胀力发展迅速，之后逐渐增长变缓直至稳定；且在实验研究范围内其竖向膨胀力始终大于水平方向的膨胀力，即存在各向异性。对于土木工程、地质工程等专业的学生而言，该装置易于操作、便于学习、结合的知识点丰富，新引入的膨润土膨胀应力测试不仅是对以往教学内容的补充，还适用于实验教学，能全面提高学生的理论知识学习和动手实践能力，与实际工程联系紧密。

膨润土膨胀应力的研究与核废物处置等热点问题相结合，使教学内容和思想与现实工程实际发展同步，是土力学教学改革的结果，拓宽了学生毕业后的就业渠道和竞争能力，有利于教学改革的发展，适应了新形势下国家对人才的培养要求。现阶段膨润土膨胀应力的检测还有一定的局限性，为完善其理论，后期将对不同浓度盐溶液、碱溶液及温度等作用下的膨润土的膨胀力进行实验研究，以总结归纳出一定的规律，从而使这一理论更具准确性与实用性。

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Application of bidirectional expansion stress measuring instrument for bentonite in soil mechanics experimental teaching

Liu Junxin1, Jiang Bing1, Guo Zhaoqun1, Liu Yutian1, Zhang Yidong1, Zhang Yongze2

(School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China；2. Land and Resources Exploration Center， Bureau of Geology and Mineral Resources of Hebei Province, Shijiazhuang 050081, China)

An experimental device for measuring expansion stress of expansive soil by lateral and axial confined experimental method is independently developed, and the axial and radial expansion stresses under the constant volume are obtained. The experimental device for measuring expansion stress of bentonite under the consideration of the temperature and direction conditions is provided, which fills the gap in the soil mechanics experimental teaching. The experiment proves that the device is of the applicability, reliability and easy operation. Based on the former device and through the analysis, the development law of expansion stress of bentonite under the seepage effect and thermal environmental conditions is obtained. This device enriches the content of experimental teaching and improves the knowledge system, which is a supplement to the content of the Soil Mechanics course, and is beneficial for training students’ practical ability.

soil mechanics; bentonite; expansion stress; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.017

TU411-33; G642.0

B

1002-4956(2017)11-0061-04

2017-04-21修改日期2017-06-05

四川省科技支撑计划项目(2016GZ0157)

刘俊新(1976—)，男，江西安福，博士后，教授，主要从事岩土工程与防护工程研究.

E-mailljx0614@126.com